ANSYS接触元素之使用与验证..docVIP

ANSYS接触元素之使用与验证 作者：徐元展 (2000-08-11)，核可：徐业良 (2000-08-11)。 附注：本文为八十八学年度元智大学机械工程研究所徐元展硕士论文附录。 1. CONTACT 12: 2-D point-to-point contact element ANSYS有限元素分析软件中的“CONTACT 12”为二维点对点的接触元素(2-D point-to-point contact element)，是用来描述两个表面之间实际接触时，可能有的干涉或间隙，以及可能发生的相互滑动。此元素只能容许支撑在表面正向方向的压缩力以及切线方向的剪力（库伦摩擦力）。此元素在每个节点上有两个自由度，为节点本身的x与y方向。以下就对此元素的使用方式做说明。 1.1　输入数据与产生元素 本元素的几何系统、节点位置及坐标系统如图A.1所示。定义本元素需要两个节点(I, J)，接口角度(THETA)，正向接触刚性与附着刚性(KN, KS)，初始的干涉或间隙量(INTF)，以及初始的元素状态(START)。在接触弹簧有限元素分析模型中，相邻两节点I、J的坐标位置相同，我们藉由设定其接口角度、正向刚性、以及初始的干涉或间隙量，来定义I、J的关系，各参数的设定与说明分述如下。 接口角度设定的单位是「度(degrees)」，由图A.1所示，其角度的定义为世界坐标的X轴与元素的s轴的夹角。在如图A.2所示接触弹簧的分析中，“gap”和“interference”以CONTACT 12元素仿真时，紧配接口的角度设定为90°。 图A.1　CONTACT 12 二维点对点接触元素[ANSYS User’s Manual Revision 5.0] 图A.2　连接器接触弹簧构造 正向接触刚性KN，应依据接触表面的刚性而定，但对大部分的问题而言区域平面上的变形并不是重点，因此通常都以相邻元素刚性一阶(order)或二阶的倍率来当作正向接触刚性。在接触弹簧的分析中，接触弹簧材料的弹性模数为103,000MPa，所以我们将正向接触刚性KN设为1,000,000MPa。而附着刚性(sticking stiffness)KS则表示当我们选择有弹性库伦摩擦(elastic Coulomb friction)影响时，在接触平面切线方向的刚性，通常预设为KN。因此在设定材料性质时，除了材料的弹性模数(EX)与蒲松氏比(NUXY)外，摩擦系数也要加以设定。在接触弹簧的分析中，接触弹簧与塑料外罩的接触面的摩擦并不是分析的重点，所以材料的摩擦系数(MU)都设定为1，而KS就不设定其值。 由图A.1所示，初始的干涉量或间隙量为，若为正值表示接触表面是相互干涉的，若为负值则表示接触表面之间为间隙。由图A.2所示在接触弹簧的分析中，在接触平面上在干涉位置上的节点其干涉量为0.065mm，在有间隙位置上的节点其间隙量为-0.015mm。 表A.1为CONTACT 12元素输入数据的摘要表，在接触弹簧的分析的设定除上述之外，其它都采用ANSYS的预设条件，若在其它应用上，须依需求做适当的调整。 在设定完接触元素的参数后，便是要在边界上产生接触元素。接触元素的设定需要接触接口上相对的节点相互设定。以CONTACT 12元素为例，在图A.1中I、J两点之间要产生接触元素以定义两点间的关系，使用ANSYS产生元素的指令由I到J产生一接触元素，这样只定义了I对J的关系，我们需要再由J到I产生一接触元素，如此一来在此两点间的接触关系定义才完整。同样的，在应用其它种类的接触元素时，接触接口上的节点也必须相互设定产生接触元素。 表A.1　CONTACT 12输入摘要[ANSYS User’s Manual Revision 5.0] Element name CONTACT12 Nodes I, J Degrees of Freedom UX, UY Real Constants THETA, KN, INTF, START, KS A negative INTF(interference) assumes an initially open gap If START = 0.0 or blank, initial condition of gap determined from INTF If START = 1.0, gap initially closed and not sliding(if MU0.0) or sliding positive(if MU = 0.0) If START = 2.0, gap initially closed and sliding positive If START = -2.0, gap initially closed and